「計算論理学」講義ノート

「計算論理学」講義ノート

慶應義塾大学文学部 岡田 光弘

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目 次

第

章 はじめに

第

章 論理学とは何か

第

章 命題論理

3.1

命題論理の形式言語

命題論理の意味論

命題論理の証明論

第

章 タイプ付ラムダ計算

単純タイプ付ラムダ計算

積タイプを持つタイプ付ラムダ計算

ラムダ項を用いたデータ型の定義の例

タイプ)

第

章 述語論理

5.1

述語論理の構文論

述語論理の意味論

第

_{章 はじめに}

本稿は著者が慶應義塾大学で行なってきた講義録をまとめたものである．一般教育科目としての「論理 学」のテキストとして利用されることを意図している．内容的には，標準的な命題論理・述語論理の構文 論と意味論に加えて，多値論理や直観論理等の非標準的な論理を系統的に扱っているのが一つの特徴と言 える．

『不思議の国のアリス』の著者ルイス・キャロルは，又の名をチャールズ・Ｌ・ドジソンという，19 世紀 後半のイギリスの論理学者でもあった．彼は著書『記号論理学』というテキストの冒頭で，新たに論理学 を学ぼうとする読者に対して，いくつかの従うべき規則を提案している．このルイス・キャロルの規則は，

今日でも有益なものだと思われるので，ここで簡単に彼の規則を紹介し，さらに少し解説を加えておこう．

[規則1]Begin at the beginning.

つまり「始めから始めよ」である．

時々，小説を読むのに，どんな話の結末かを確かめてから，読みはじめる，というような人を見かける．

「ああ，ハッピーエンドなんだ」とか， 「こいつが真犯人なのか」とか前もって確認してから，安心して小説 を読み始める，というタイプの人がいる．小説の場合はそれも許されるかもしれないが，科学的な本，特 に論理学の本では，そのような読み方は不可能である．一段一段，概念を積み上げていくのが論理的議論 の特徴であるので，途中をスキップして読むと意味が理解できなくなる．だから，論理学の本をはじめか ら読む前に，中身をチラッと見てみようなどと企んで途中のページを開いてみても，結局「何が書いてあ るのだか分からない．どうにもこの本は難しすぎて自分の手に負えそうもない． 」と悲観的になるのが常で ある．

[規則2]

「完全にその章が理解できるまで，次の章に読み進むな． 」

どんな大天才でも，途中で分からなくなったまま先に進んでは，論理学や数学等の本は理解することは できないものである．それが論理的議論の特徴である．大天才でもそうなのだから，あなたがもし単なる 秀才程度なら，なおさらそうなのである．だが逆に，各ステップを一段一段理解していけば，最初には夢 にも思っていなかったような高い見晴しのよい地点まで普通の人間ならだれでも到達できるのも，また論 理学の特徴なのだ，ということを忘れないでおいてほしい．

[

規則

分からない部分に出くわしたら，そこをもう一度読んでみること．それでも分からなかったら，も う一度読み直してみること．もし，三度読んでも分からなかったら，あなたの頭が疲れている可能性が強 いから，そこで読むのをやめて，その日はほかのことをした方がよい．そして，ゆっくり休んでから次の 日に読み直してみると， 「なんだ，簡単なことじゃないか」ということになる可能性が強いのである．

次の規則は私が最も気に入っている規則である．

[

規則

できれば，論理学が得意そうな友達をみつけて，いっしょに読むとよい．そして，難しいところ を話し合いながら読み進めるとよい．話すことは，問題解決の最大の方策である．

ところで，以上のドジソンの

つの規則にもう一つ私が加えるとすると，それは次のような規則であろう．

[

規則

体を使って練習を充分行なうこと．即ち，頭だけを使って論理学を理解しようなどとは思わず，練

習問題を実際に紙に書いて解いてみること，である．論理学のような知的な学問分野の習得は，純粋に頭

だけを使ってなされるのであり，体を動かす必要はない，等と誤って考えられがちだが，実は論理学のよ

うな知的学問の習得は，手を動かして練習問題をくり返し解いていくことにより体で習得していく方が近

道なのである．それは，運動選手の練習や，楽器の演奏家の練習や，語学学習者の練習がそうであるのと

まったく同様なのである．

以上の

つの規則を守って読み進めて頂きたい．本書をとおして論理学の持つ知的な楽しさの一端でも

読者に伝えることができれば，著者にとってこの上ない喜びである．

第

_{章 論理学とは何か}

論理学は，思考の道筋を「真理

理との関係が問題とされる．この点で論理学は，他の学問とは異なる．この違いは，研究対象の違いであ る．例えば，物理学は物理についての真理を，数学は数についての真理を探究する．これに対して，論理 学は真理そのものを研究対象としている．つまり， 「· · · が真であるならば 〜 は真である」というような真 理関係とはいかなるものかを探究しているのである．

論理学の探究の一つの方法として真理表

が用いられる

．論理学では，この方法によっ

て

の真理関係が次のように理解される．

A not A

真 偽 偽 真

A B A and B

真 真 真 真 偽 偽 偽 真 偽 偽 偽 偽

この表で， 「A が真であるならば

は偽である」「A と

が共に真であるならば，A and B は真であ る」等の真理関係が表現されている．

論理学では，and，not，or，if . . . , then . . . などの真理関係を問題とする．これらの語の意味は，真 理表によって与えられる．逆の言い方をすれば，真理表を与えることによって，我々は，and，not，or，

if . . . , then . . .

の使い方が理解できるのである．

我々がここで定義したいのは，記号論理学である．これは，記号を用いて真偽を表現するものである．そ こで用いられる真理関係は，我々の通常の英語とは独立に与えられるのが普通である．これは我々が，今，

人工言語を定義しようとしているからである．それゆえ，混乱を防ぐため，次のような人工言語特有の記 号を用いることにする．

∧, ¬, ∨, →

これらの記号は，左からそれぞれ

と呼ばれ，真理表が与えられるまでは意味 がない．“

と

は，我々が上で真理表によって意味を与えた

と

にあたる．(その他の記号に ついては，まだその真理表が与えられていない．しかし，ここでは，すでにその意味があたえられている ものとし，説明を続ける．) 記号論理学は，上にあげたような記号の他に，A, B, . . . のような記号を用い る．ここで

は真偽がいえるような文である．そして，複雑な文がこれらの記号によって表現され，そ の真偽が考えられるのである．

例えば，次のような哲学科の必修科目の表があるとする．

1 これは，ウィトゲンシュタインによって導入された．

基礎科目 選択科目

選択科目

論理学入門 現代論理学 特殊講義

哲学史

科学の哲学 哲学研究会 哲学史

歴史の哲学  

ここで，履修方法として「基礎科目，選択科目

のそれぞれから少なくとも一つの授業を履 修しなければならない」とする．するとこの履修規則は，次のように表現される．

1. (論理学入門が必要である∨

哲学史

が必要である

哲学史

が必要である)

∧(現代論理学が必要である∨

科学の哲学が必要である

歴史の哲学が必要である)

∧(特殊講義V

が必要である

哲学研究会が必要である)

論理学の興味は，真理にある．では，1 の表現の真理はいかなるものであるのか．論理学では，この種 の表現の真理は偶然的真理といわれる．と言うのは，この履修規則は，ある特定の大学

において，

そしてある特定の年度について真とされているからである．同じような例として，“今日晴れている

テ ニスをする” がある．というのは，ある人は，晴れていたらテニスをするかもしれないが，他の人はピン ポンをするかもしれないからである．では，偶然的ではない真理，すなわち必然的真理とはいかなるもの であろうか．それは，次のような表現についての真理である．

2. ((今日晴れている→

テニスをする)

この表現の一部

テニスをする” は，確かに偶然的真理ではあるが，この表現全体とし ては，常に真である．この様な真理を論理的真と言う．また，次の表現は，天文学的には真かもしれない が，論理的必然性を持たない．よって，論理的真ではない．

3. UFO

が存在する

しかし，次の表現は論理的真である．

4. UFO

が存在する

が存在する))

ここで留意すべき点は，2，4 が，“今日晴れている” “テニスをする” “UFO が存在する” 等の文の種類 のいかんによらず真と言える点である．すなわち，2，4 は，それぞれ以下の

のような形式を持ち, そ の形式のみで

の具体的な内容にかかわらず常に真といえる．このような形式的な真理を論理的真とい うのである．

5. (A→B)∧(¬B))→(¬A) 6. A∨(¬A)

このように記号論理学は，論理的真を探求するというその性格上，文の形式のみを問題とすることか ら，具体的な文を用いず，それを表わすものとして

等の記号を用いる．記号論理学では，人工的に

等の語とそれらについての文法を導入し，そしてその意味を人工的に与える．というの は，人工言語は日常言語に比べて曖昧さがなく真偽がいえるからである．

次章では，人工言語を，言語，意味，文法の順に導入する．その上で常に真となる文

とは，いかなる形式の文であるかを探求しようと思う．

練習問題

1. “or”

の真理表を，我々の日常的表現

に照らし合わせて作れ．

2. “If A, then B”

の真理表を同様に作れ．

第

_{章 命題論理}

3.1

_{命題論理の形式言語}

命題論理の形式言語のボキャブラリーは，次のものからなる．

定義

論理記号 ：

命題変項 ：

命題定項 ：

ここで，命題変項及び命題定項は単文を表し，論理記号は文と文をつなぐ接続詞の役割を果たすことが 後に示される．言語は，意味とは独立に，ただ記号のみが与えられるという形で定義される．つまり，言 語は，その記号の意味が与えられるまでは無意味なものとして取り扱われる．そこで，論理記号，命題定 項等の意味は後で与えることにして，ひとまず記号の意味を考えず，次のように読むことにする

．

∧ · · · and

かつ

∨ · · · or

または

¬ · · · not

非

→ · · · if . . . then . . .

ならば

↔ · · · if and only if

同値

⊤ · · · true

真

⊥ · · · f alse

偽

次に命題論理における論理式

を定義する．ここで論理式とは，我々の 自然言語の文にあたるものである．自然言語においてどんな言語表現が正しい文であるかを示す規則は文 法と呼ばれている．日本語や英語の文法に書かれているのは，正しい文を作る規則の集まりである．我々 の命題論理言語では，全ての文法は下の定義に示されるようにほんの数行で書き下されてしまう．

定義

1.

命題変項は論理式である．

2.

命題定項は論理式である．

3.

もし，A が論理式であるならば，(

も論理式である．

4.

もし，A, B が共に論理式であるならば，(A

は，それぞれ論理 式である．

5.

以上で論理式と分かるものだけを論理式とする．

1 というものの，我々が記号を無意味なものとして取り扱うことができるのは，記号“A, B, . . . ,∧,¬,∨,→”に関する何等かの意 味をあらかじめ知っており，その上で，その「意味」をキャンセルしていることに他ならない．そうでなければ，「無意味」が何を意 味しているかも理解できないはずである．

では，論理式とそうではないものを区別してみよう．まず，(((P

は論理式である．

それは，次のことより明らかである．

1

より

，

は論理式

4

より

は論理式

2

より

は論理式

4

より

は論理式

3

より

は論理式

4

より

は論理式 しかし，((

は論理式ではない．

なお括弧は，すべてつけると論理式が繁雑になるので，混乱を防ぐために最小限用いる．括弧は，論理 記号と命題記号との結び付きの強さに応じて省略する．又一般に，一番外側の括弧は省略する．命題記号 との結びつきは

がもっとも強く，次に

又は

又は

である．

例えば，次の論理式

は，¬

ではなく

を意味する．と言うのは，¬ が

よりも 命題

に対する結び付きが強いからである．また

は，

や

でなく，(

を意味する．というのは，¬，∧ が

よりも結合力が強いからである．他方，

(P∨R)∧Q

は，P

とは省略できない．これは，

と

の結合力が等しいため，P

との 区別が付かないからである．

¶ ³

括弧の省略規則

1.

一番外側の括弧は原則として常に省略する．

2.

次の結び付きの大小関係

に従って結び付きの関係が明かな括弧は省略する．

→

↔ < ∧

∨ < ¬

µ ´

では，((P

の括弧を実際に外してみよう．まず

が

に省略さ れ，(P

となる．これは，∧ の方が

よりも

に対する結び付きが強いからである．そ して，(P

となる．しかし，最後の括弧を取り除いて

としてしまうと，∨

が

よりも強い結合力をもつから，この論理式は

を意味することになってしまう．

3.2

_{命題論理の意味論}

命題論理の対象である論理式は，真又は偽という真理値を持つ．上で与えられた命題論理の言語には，こ の真理値をもとにした次のような意味が与えられる

．

定義

論理式の真理値

1.

命題定項

は，真

いう真理値を常に持つ．すなわち，論理式

の意味は，真

である．

2.

命題定項

は，偽

という真理値を常に持つ．すなわち，論理式

の意味は，偽

である．

3.

命題変項

は，真

及び偽

を値として取り得る変項である．

4. A∧B

の形の論理式が真

であるのは，A が真

でかつ

が真

である時にかぎる．

5. A∨B

の形の論理式が真

であるのは，A が真

であるか又は

が真

である時

方真である時も含めて) にかぎる．

6. ¬A

の形の論理式が真

であるのは，A が偽

である時

が真でない時) にかぎる．

7. A→B

の形の論理式が真

であるのは，A が真

であれば

も真

であること，即

ち，A が偽

であるか

が真

となることである．

8. A↔B

の形の論理式が真

であるのは，A と

が同じ真理値をとる時にかぎる．

特に，4〜8 は，論理記号の意味を真偽概念を使って定義したものであると言える．ここで注意を要する のは，ここで与えた論理記号の意味と日常言語における対応する接続詞等の意味とが必ずしも常に一致し ているとは限らない，ということである．日常言語においては，言葉の意味を曖昧に用いている場合がよ くある．この曖昧さが日常言語を用いて論理的分析をする際の困難のもとになっている．ここに論理的分 析に適した人工言語を考える動機がある．そして，この人工言語の上で曖昧さのない言葉の意味を与えて おいて，その上でこのフレームワークを用いて論理的分析を行おうとするのである．

さて，今，true を

を

と表す．上で与えられた意味付与は，次のような真理表で表すことがで きる．

1. ⊤

はつねに値

をもつ

⊤ t

2. ⊥

はつねに値

をもつ

⊥ f

3. P

は値

または

をもつ

P t f

4.

2 命題論理における意味は，真(true)，偽(false)のみである．

A B A∧B

t t t A

が

が

なら

も

が

が

なら

は

が

，B が

なら

は

が

，B が

なら

は

A B A∨B

t t t A

が

が

なら

も

が

が

なら

は

が

，B が

なら

は

が

，B が

なら

は

A ¬A

t f A

が

なら

は

が

なら

は

A B A→B

t t t A

が

が

なら

は

が

が

なら

は

が

，B が

なら

は

が

，B が

なら

は

A B A↔B

t t t A

が

が

なら

は

が

が

なら

は

が

，B が

なら

は

が

，B が

なら

は

以上のような意味付与規則をもとにこれらを組み合わせることにより, 任意の論理式に対して真理値を 与えることができる。その例をいくつか挙げる。

例

(1) P∧Q→ ¬P

P Q P∧Q ¬P P∧Q→ ¬P

t t t f f

t f f f t

f t f t t

f f f t t

(2) R→ ⊥ ∨Q

⊥ Q R ⊥ ∨Q R→ ⊥ ∨Q

f t t t t

f t f t t

f f t f f

f f f f t

(3) R→P∨Q

P Q R P∨Q R→P∨Q

t t t t t

t t f t t

t f t t t

t f f t t

f t t t t

f t f t t

f f t f f

f f f f t

上の

による

の真理表は，次の

の真理表と結果が同じになることが分かる．

A B ¬A ¬A∨B

t t f t

t f f f

f t t t

f f t t

この意味で，

は

と

を使って

を

の形で定義可能であることが分かる．

定義

すべての命題変項の可能な真理値に対して, 常に真となるような論理式はトート

ロジーと呼ばれる．論理式

がトートロジーの時，|

と書く．

次にトートロジーの例を示す．

例

1. A∨ ¬A

A ¬A A∨ ¬A

t f t

f t t

2. A→A

A A→A

t t

f t

3. ¬(A∧B)↔(¬A∨ ¬B)

A B A∧B ¬(A∧B) ¬A ¬B ¬A∨ ¬B ¬(A∧B)↔(¬A∨ ¬B)

t t t f f f f t

t f f t f t t t

f t f t t f t t

f f f t t t t t

4. (A→B)↔(¬A∨B)

A B A→B ¬A ¬A∨B (A→B)↔(¬A∨B)

t t t f t t

t f f f f t

f t t t t t

f f t t t t

練習問題

次の論理式がトートロジーであることを示せ．

1. A↔(¬¬A)

2. ¬(A∨B)↔(¬A∧ ¬B) 3. (¬A→(A→B))∨A 4. (¬A→(A∧ ¬B))→A

練習問題

次の論理式がトートロジーであるかどうか判定せよ．

1. (A→B)→(¬B→ ¬A) 2. (A∧ ¬A)→C

3. (A∨B)→A 4. B →(A∧B) 5. A→(A∨B)

6. (¬A∨ ¬B)→ ¬(A∨B) 7. (A∧(A∧B))↔A

8. (A→(B →C))↔((A∧B)→C) 9. (A∧(B∨C))↔((A∧B)∨(A∧C))

練習問題

1. A↔B

が

と

を用いて，(A

と定義できることを示せ．

2. A∧B

が

と

を用いて

と定義できることを示せ．

3. A∨B

が

と

を用いて

と定義できることを示せ．

3.3

_{命題論理の証明論}

先に我々が導入した命題論理の形式言語は，命題変項

論理記号

から成っていた．そして，そこでは

，Q，R，P

等 の記号列が論理式として用いられていた．論理式とは通常の自然言語の文に対応するものであった．一方，

自然言語においては複数の文から文章が構成される．本節では，命題論理言語に対する文章を考える．こ こで論理的言語における文章とは論証のことである．論証のことを論理学では証明とも呼ぶ．一つの証明 は多くの文

から成る．証明において，各論理式は論理的推論規則に従って導入される．論理的推 論規則に従って次々に論理式が生成されることを通して証明と呼ばれる論理的文章が構成されるわけであ る．この論理的形式言語上での証明概念は，通常の日常言語で行われている論証の論理構造を抽象的に表 したものだと考えられる．

任意の論理式

に対して，開いた前提

を持つ

の証明構造という概念を定義す る．ここで「P が開いた前提

を持つ

の証明構造である」とは，内容的には「P は

という前提から

という結論を導く論証である」ことを表す．ここで，B

には，同じ形の論理式 が重複して現れる場合を含むこととする．実際，下の証明構造の定義から明らかになるように，開いた前 提

と

とが論理式としてはまったく同じ形をしているとしても，それらは考えている 証明構造の中で異なる場所

に現れているのであり，よって現れる場所

をも含めて論理式を同 定することにすると，B

と

とは「異なる」と考えられるのである．以下において，開いた前提の集合 と呼ぶときは，このように違った位置に現れる

つの同形の論理式をこの集合の異なる要素として取り扱 うこととする．

命題論理の自然演繹体系

定義

の証明構造) 証明構造とは次のような構造のことと定義する．

0.

公理： 任意の論理式

はそれ自体が

の証明構造である．このときその論理式

自体はこの証明構造 の開いた前提であると言われる．ここで，この

つの論理式だけから成る証明構造の開いた前提の集 合は，この論理式

だけから成る一元集合

つの元のみからなる集合) である．

1. ∧−

導入規則

と略記

： 今，次のような

の証明構造

と

の証明構造

が与えられている とする．ここで

は

の証明構造

に現れる開いた前提の集合とし，D

は

の証 明構造

に現れる開いた前提の集合とする．

P₁









C.1. . .. . .· · ·..... C.n

..

A

P₂









D.1. . .. . .· · ·..... D.m

..

B

このとき，この

つの証明構造

，P

に次の形の

規則を適用して得られる構造

は

の 証明構造である．

P













C.1. . .. . .· · ·..... C.n

..

A

D.1. . .. . .· · ·..... D.m

..

B

A∧B ^∧−I

ここで，A

の証明構造

の開いた前提の集合は，P

の開いた前提の集合

と

の開

いた前提の集合

の和集合

のこととする．

2. ∧−

消去規則

と略記)： 今，次のような

の証明構造

が与えられているとする．

ここで

は証明構造

に現れる開いた前提の集合とする．

P₁









C.1. . .. . .· · ·..... C.n

..

A∧B

このとき，この証明構造

に次の形の

規則を適用して得られる構造

は

の証明構造で ある．

P













C.1. . .. . .· · ·..... C.n

..

A∧B

A ^∧−E(左)

ここで，A の証明構造

の開いた前提の集合は

の開いた前提の集合

のこととする．

3. ∧−

消去規則

右

右

と略記

： 今，次のような

の証明構造

が与えられているとする．

ここで

は証明構造

に現れる開いた前提の集合とする．

P₁









C.1. . .. . .· · ·..... C.n

..

A∧B

このとき，この証明構造

に次の形の

規則

を適用して得られる構造

は

の証明構造 である．

P













C.1. . .. . .· · ·..... C.n

..

A∧B

B ^∧−E(右)

ここで，B の証明構造

の開いた前提の集合は

の開いた前提の集合

のこととする．

4. → −

導入規則

と略記

： 今，次のような

の証明構造

が与えられているとする．ここで

は

の証明構造

に現れる開いた前提の集合

と する．特に

における最初の

は論理式

の

現れのうちのいくつかを指定したものであるとする．

P1









A A· · ·.. . .A C. . ...... 1.· · ·Cn

..

B

この証明構造に次の形の

規則を適用し，上で指定した開いた前提

にカギカッコを付

けて

として得られた構造

は

の証明構造である．

P













[A] [A]· · ·[A]C₁· · ·C_n .. . .. . ...... .

..

B

A→B ^→−I

ここで，A

の証明構造

の開いた前提の集合は

とする．又，P

の中で開いた前提 として現れていた論理式

にカギカッコを付けたもの

は，この

規則によ

り

で) 閉じられた前提と呼ばれる．特にこの証明構造

の開いた前提の集合の中に

の形の論理式が

現れていてもよい．又，[A]

が空列のとき

規則で閉 じる前提が

つもない場合) も，特別な場合として含めることとする．

従って，証明構造

の開いた前提は

(P

の開いた前提の集合) = (P

の開いた前提の集合)

の集合) として与えられることとなる．

5. → −

消去規則

と略記)： 今，次のような

の証明構造

と，A

の証明構造

が与えら れているとする．ここで

は

の証明構造

に現れる開いた前提の集合とし，

は

の証明構造

に現れる開いた前提の集合とする．

P₁









C.1. . .. . .· · ·..... C.n

..

A

P₂









D.1. . .. . .· · ·..... D.m

..

A→B

このとき，この

つの証明構造に次の形の

規則を適用した構造

も証明構造である．

P













C₁· · ·C_n .. . .. . ...... .

..

A

D₁· · ·D_m .. . .. . ...... .

..

A→B

B ^→−E

ここで，証明構造

の開いた前提の集合は

の開いた前提の集合

と

の開いた前提の 集合

の和集合

であるとする．

6. ¬−

導入規則

と略記

： 今，次のような論理定項

の証明構造

が与えられているとする．こ こで

は論理定項

の証明構造

に現れる開いた前提の集合

による枚挙) とする．特に

における最初の

は論理式の

前提としての) 現れのうちのいくつかを指定したものであるとする．

P1









A A· · ·.. . .A B. . ...... 1.· · ·Bn

⊥..

ここで，この証明構造

に次の形の

規則を適用し，上で指定した開いた前提

にカギ

カッコを付けて

規則と同様の操作により) 前提を閉ざして得られる構造

は

の証明構造

である．